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科学家使用事件视界望远镜首次直接观察到类星体吸积盘

2020/6/24 10:10:48 来源:原创 浏览:
  • 图注:事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)合作组织于2017年4月11日发布的类星体3C 279中央核心及其射流起源的图像。注意顶部“斑点”的方向,这是人类首次直接观察到类星体吸积盘。

差不多一年前的今天,事件视界望远镜合作组织发布了黑洞事件视界的第一张图像。它的出版标志着我们第一次直接检测到一个特殊空间区域,在该区域中,如此多的物质集中在如此小的体积中,甚至没有光也无法从中逃逸。

在同一观测活动中,该活动同时在地球上的八个天文观测站中进行,还对许多其他目标进行了成像,包括类星体3C279。借助事件地平线望远镜的空前分辨率,这种强大的宇宙望远镜第一次发现了类星体的射流起源。尽管它与理论上的预测相符,但这些细节以全新的方式令人赞叹。

  • 图注:该图展示了J043947.08 + 163415.7(一个由超大质量黑洞驱动的非常遥远的类星体)如何看起来很近。该物体是迄今为止在早期宇宙中发现的最明亮的类星体,当然,这仅仅指的是其表观亮度而非内在亮度。

当它们第一次被发现时,类星体是不可思议的神秘物体。甚至“类星体”这个名字也是作为一个缩略词形成的:准恒星射电源(QSRS),因为它们喷射出大量的能量,但只在射电频率下可见。最早的类星体在其他波长的光中是完全看不见的,但它们是宇宙中能量最强的放射源之一。

随着我们观测工具的改进,望远镜开始发现容纳这些类星体的星系——有时微弱,有时很远。 它们由星系中心组成,星系中心发出明亮的辐射流。附近具有清晰可见星系的星系被称为活跃星系核(AGN);那些用指向我们的喷射流被称为耀变体(blazars)(BL Lac星体)。今天,众所周知它们都是同一类天文学现象。

  • 图注:虽然类星体和活动星系核的遥远宿主星系通常可以在可见光/红外线中成像,但射流本身和周围的发射物最好在X射线和无线电中看到,如椭圆星系武仙座A(Hercules A)所示,如果X射线发射沿着相同的路径进入气体,它们可能会由于电子的加速而产生热点。

我们认为这些星系中的每一个都在发生着这样的事情:在这些星系的中心应该有一个超大质量的黑洞,而那些看起来像类星体、活动星系核或黑洞的星系都在积极地吸食物质的过程中。它们应该有吸积盘和物质流,这些物质流被超大质量黑洞加速(但仅被部分吞噬),其中大部分流入的物质在这些超强射流中喷射出来。

射电天文学的长期目标之一,是提高我们对中心黑洞周围区域这些类星体射流的观测的分辨率,以期希望确切了解哪些物理过程正在推动这种超高光度的辐射产生。随着事件视界望远镜的问世,该望远镜是完成这项工作的最好的工具。

  • 图注:地球半球之一对事件视界望远镜的成像功能做出贡献的不同望远镜和望远镜阵列的视图。 从2011年到2017年,尤其是2017年的数据,现在使我们能够首次构造黑洞事件视界的图像,并在遥远的类星体3C 279中成像新颖的特征。

事件视界望远镜本身不是单个望远镜,也不是单个阵列的望远镜,而是由八个不同天文台组成的集合。 其中一些是大型的单碟射电望远镜。其他的则是大型的望远镜阵列,其中面积最大和最全面的是阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA),其本身由66台单独的望远镜组成。

当事件视界望远镜以完美的效率运行时——当大气影响最小化时,当所有误差源都可以忽略或排除时——它的行为就像一个单一的望远镜,其:

  1. 集光能力取决于所有望远镜组件的总面积,
  2. 但其分辨率取决于望远镜之间的距离,最高可达地球的直径。
  • 图注:截至2017年,构成事件视界望远镜的八种不同的望远镜和望远镜阵列。下一次观测运行开始时,总共11个独立站点将为新的EHT做出贡献,从而实现更高的分辨率和聚光能力。

最后一部分——分辨率——正是事件视界望远镜如此强大的原因。每圈360度,每度60弧分,每弧分60弧秒。肉眼可以看到大约1弧分的分辨率;像哈勃太空望远镜这样的超强天文台可以看到大约十分之一弧秒的分辨率。

通常,分辨率是由可适合望远镜直径的光波长(无论使用何种波长)决定的。即使无线电波远长于我们的眼睛(和哈勃望远镜)所敏感的光学波长,但地球的直径却比任何镜子都要大得多,因此事件视界望远镜可以分辨出几十微弧秒的特征,比哈勃看到的灵敏度高1000倍以上。

  • 图注:事件视界望远镜的第一张发布的图像实现了22.5微秒的分辨率,使阵列能够解析M87中心黑洞的事件视界。单盘望远镜的直径必须达到12,000 km,才能实现相同的清晰度。请注意4月5/6日图像和4月10/11日图像之间的外观有所不同,这表明黑洞周围的特征随时间变化。这有助于证明同步不同观测值的重要性,而不仅仅是时间平均。

2019年,当梅西埃87星系核心的第一个超大质量黑洞的标志性图像被发布时,一组位于大约50亿光年之外的类星体3C279中心区域的图像也被发布。在同一次观测过程中我们首次拍摄到的事件视界图像,这些图像是第一次在这个类星体的核心发现了两个独立的“光点”。

这些对于理解正在发生的事情非常重要。图像底部的橙色光线是类星体周围常见的两股物质射流中的一股的起源,这两股物质射流来自一个黑洞,其质量估计约为太阳质量的10亿倍。但从大约50亿光年远的地方,我们可以看到上一团,独立于下一团,分辨率不足半个光年。

  • 图注:星体3C 279的初步观测记录于2017年,2019年首次以图像形式发布,显示这种不寻常的喷气结构(垂直)并带有一个偏移的、方向不同的无线电辐射源。这是对类星体活动吸积盘的首次观测。

我们第一次看到的是黑洞周围的活动吸积盘。事件视界望远镜拍摄到的那个上部斑点表明,射流的底部存在扭曲的形状,并且还显示出与射流本身垂直的特征。

对这些垂直特征的初步解释是该图像显示黑洞周围活动吸积盘,而射流是从该盘的两极中喷出的。这是值得注意的,有两个原因。

  1. 这正是类星体的理论模型多年来一直在预测的结果,但是望远镜技术从未(直到现在)还没有发展到可以证实、反驳或测试这一点的程度。
  2. 根据黑洞的大小,我们应该期望在几个小时的时间尺度上看到这些电磁特征的时变,而且在多天拍摄的多幅图像确实显示了这些时变,以前只能在看到数据模拟。
  • 图注:这些射流的亮度和位置的时间变化表明出现了明显的超发光运动,但这很可能只是一种光学错觉。但是,射流特征的实时变化非常真实,并依赖于诸如等离子体不稳定性的解释。

更引人注目的是,科学家可以随时间在空间上跟踪这些射更值得注意的是,科学家可以在空间、时间上跟踪这些射流的运动,这些射流应该与单个电子的运动相对应。 这些电子的速度应该受到光速的限制,但是这个射流速度似乎以光速的20倍传播,这个想法是对爱因斯坦一个挑战。这个项目的首席研究员托马斯·克里希鲍姆(Thomas Krichbaum)对这个谜团感到非常兴奋:

简单地理解向外传播的相对论射流,很难使沿横向射流方向的运动协调一致。这表明在弯曲射流或内部射流旋转中存在传播等离子体不稳定性。3c279是天文学中第一个显示超光速运动的来源,而今天,差不多50年后,仍然有一些惊喜给我们。

  • 图注:Pictor A的X射线/无线电合成图像的注释版本,显示了反射流、热点和许多其他迷人的特征。这个相对论射流由一个活跃的星系提供动力,释放出巨大的能量,但时间跨度很长(约10^6年),而不是一下子全部释放出来。由于它离地球很近,事件视界望远镜有可能将其中心区域成像到比3c279更好的空间分辨率。

“超光速运动”可能只是一种视觉上的错觉,但了解为什么存在这种垂直结构,则为科学家们揭示了一个更深层次的谜题。围绕超大质量黑洞的吸积盘从未像这样成像过,如果这是我们在这里真正看到的,那么这第一个可能就是我们的宇宙“罗塞塔石碑”,因为它揭示了驱动这类星体的黑洞和我们看到的从它们流出的喷流之间的重要联系。

事件世界望远镜希望在今年的3月和4月进行另一场观测活动,但是持续进行的COVID-19大流行迫使该活动取消了。但是,目前正在分析2017年和2018年增强版的数据,并计划在2021年3月开展一个扩展的事件世界望远镜活动,该活动共有11个独立观测站。

  • 图注:流星,拍摄于2014年的阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列(ALMA)。ALMA是世界上最先进,最复杂的射电望远镜阵列,能够在原行星盘中成像前所未有的细节,也是视界望远镜的组成部分。

一年前,人类通过观察相对邻近的宇宙中最大的超大质量黑洞,瞥见了我们有史以来的第一个事件视界。 但是,距离更远的100倍,一个超强大的,高度可变的类星体保守着自己的秘密,事件视界望远镜也能够发现其中的许多秘密。尽管有待确认,但我们可能还是第一次看到类星体的主动吸积盘的图像。

如果没有全球范围内的合作以及地球对基础科学事业的资助的承诺,像事件视界望远镜这样的大规模天文学项目将是完全不可能的。通过用前所未有的“眼睛”观察宇宙,我们可以发现和解决我们以前从未知道过的谜团。

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